钢混组合梁桥的设计要点和方法

孙涛

（中咨华科交通建设技术有限公司，北京市 100195）

钢混组合梁桥的设计要点和方法

孙涛

（中咨华科交通建设技术有限公司，北京市 100195）

推导了钢混组合梁桥基于弹性和基于弹塑性的承载能力设计计算方法，从而明确钢和混凝土在组合梁桥中的作用特性。总结了钢混组合梁桥相对于混凝土桥和钢桥的优势和难点，其中难点主要体现在负弯矩区开裂和整体倾覆稳定方面，并针对这两个难点，提出了设计解决方法和要点。

钢混结构；组合梁桥；设计要点；负弯矩抗裂；整体稳定

0 引言

混凝土和钢材是现代工程建设的主要材料，随着现代土木工程向可持续化和经济化的方向发展，合理利用建筑材料力学性能，充分发挥各自的优势，降低工程的建设成本成为结构工程建设的关键。组合结构以其整体受力的经济性，在保证不同材料良好连接的基础上充分发挥了各自己的结构性能[1]，在桥梁工程领域的应用越来越得到重视。

广义的组合结构是在构件的截面层次使用两种以上不同材料，目前的组合结构主要是在截面层次采用钢材和混凝土两种建造材料，并由这种构件组成体系的结构。组合结构桥梁是伴随着钢构件在混凝土桥梁结构体系桥梁的应用而产生的，从结构层面上，钢构件应用于混凝土构件中可以优化受力，改善混凝土材料抗拉性能不足的缺点，同时发挥钢材抗拉和抗压性能好的优点，另外混凝土的存在又会降低钢材的屈曲和疲劳等典型问题；从结构实用及经济层面，在满足结构性能要求的前提下能获取最优的资源配置，同时使得桥梁结构轻型、多变、美观且可施工性强[2,3]。基于上述优势，钢混组合结构在桥梁工程应用领域在不断的扩大，其中应用最为广泛的还是梁桥体系。

本文分析组合梁桥的受力原理和计算方法，分析组合梁桥相对于钢桥和混凝土桥梁的优势所在和主要缺点。并提出开展组合梁桥设计的要点和方法，设计的主要难题以及解决方法。进一步推广钢混组合桥梁在我国的应用实践。

1 钢混组合梁桥的设计计算理论

开展钢混组合梁桥设计的关键是，确定钢混截面在极端荷载作用下的极限承载力，满足承载力安全是进行任何截面设计的关键。目前钢混组合梁桥承载力计算主要以弹性理论和弹塑性理论为两个分支，其计算的前提均假定钢混截面的受力变形满足平截面假定。

1.1 弹性设计理论

弹性理论认为在承载能力极限状态下，钢混组合梁是完全协同工作的，结构的破坏是以边缘应力水平超过材料的允许应力为标准计算的，因此弹性理论计算承载能力时，有如下假定：

（1）截面的变形完全遵循平截面假定；

（2）钢材和混凝土为理想的弹性体，直到梁体的破坏；

（3）钢与混凝土之间连接是安全可靠的，可能有微小的滑移，但是可忽略；

（4）不考虑混凝土开裂对结构承载能力的影响。

根据钢混组合结构的计算理论，如果钢混构件的连接在承载能力状态下不发生滑移，截面内构件连接完好，则可以按照刚度分配原理计算钢梁承受的弯矩、轴力和混凝土桥面板承受的弯矩和轴力，结构内力的分配原理见图1。

根据图 1可知，在截面弯矩作用下，根据弹性理论分配的钢和混凝土的弯矩和轴力分别为：混凝土钢其中n0=Es/Ec。

图1 弹性理论下钢混组合截面内力分配

根据上述内力分配情况便可以计算钢混组合梁在外力组合作用下结构的承载能力。

1.2 弹塑性设计理论

弹性理论分析适用于混凝土应力和钢梁应力均不超过屈服应力情况，事实上，承载能力作用下，混凝土和钢材都会达到塑性状态，采用弹塑性理论计算才能完全挖掘结构的承载能力。考虑到钢和混凝土的应力应变曲线较为复杂，结构计算中一般采用简化算法，认为钢材和混凝土都满足理想的弹塑性关系，因而可以采用简化的弹塑性理论计算结构的承载能力。计算采用的基本假定有：

（1）截面变形满足平截面假定；

（2）混凝土和钢材具有较为可靠的连接，允许产生不影响截面承载的滑移；

（3）不考虑处于塑性中和轴受拉区的混凝土作用；

（4）在混凝土的受压区为均匀受压，并达到抗压设计强度；

（5）在钢梁受拉区可以达到钢梁的塑性受拉强度fp=0.9 f（钢材强度）。

简化弹塑性理论需要根据塑性中和轴的位置计算截面的承载能力。结合本桥的特点，分别选取近边跨三分点位置和边支座位置截面，计算结构的承载能力，见图2。

图2 弹塑性理论下钢梁与混凝土应力分布图示

2 钢混组合梁桥特性分析

根据钢混组合梁桥的上述设计原理，再加上梁桥主要以受弯为主，因此相比于钢梁桥和混凝土梁桥，钢混组合梁桥具有以下特性：

（1）结构轻巧、强度高、施工简便。钢混组合梁桥整体容重显著小于混凝土桥梁，可以实现更大跨径。由于结构轻巧，可以通过先架设钢梁，以钢梁作为支撑模板，施工桥面混凝土结构部分。另外，组合梁桥还可以解决了梁段起重架设过大的问题，可以将钢梁分段制作和吊装。

（2）钢混组合梁易于实现工业化和产品化。通过将钢梁和桥面板进行分段预制，可以在工厂进行流水线式操作，同时减少野外作业时间，并提高施工建设质量。钢梁段和混凝土段在现场可以进行专业的组装连接，快速且精度高，且施工不受季节限制。

（3）钢混组合梁在受力方面具有显著优势，充分利用钢材抗拉强度优势规避混凝土容易开裂问题。另外，混凝土作为支撑钢梁的上部结构，可以增加其临界失稳系数，同时避免了钢梁直接与车辆活载的作用，减少了不必要的钢梁疲劳失效问题。

钢混组合梁桥同时设计难点，需要重点考虑，才能保障其使用安全和长期性能：

第一，设计为连续梁桥结构型式的组合梁桥，面临负弯矩区开裂问题。连续梁桥或者连续刚构桥，在中支点区域承受负弯矩作用，由于混凝土的抗裂性差，必须采取相关措施，降低负弯矩的开裂风险，保证组合梁桥梁的使用性能[4]。

第二，组合梁桥的整体稳定性问题，组合梁桥的结构自重较轻，横向宽度大的连续梁桥，特别是采用中间点铰支撑设计的，其横向稳定性能很差，例如2012年8月24日 哈尔滨阳明滩大桥的垮塌事故，该桥梁就是采用组合梁桥型式，同时中支座为点铰支撑。

3 钢混组合梁桥设计要点及方法

根据钢混组合梁桥的设计难点和问题，可以采取如下设计要点及方法进行针对性的解决。

3.1 组合梁桥横向稳定设计

梁桥的倾覆机理就是在外界荷载作用下，整个桥梁结构绕着一个轴发生翻转，一旦达到翻转的临界状态，梁桥结构就变成机动体系，从而导致整体式的倾覆破坏。因而其破坏机理如下：

式中：K是倾覆系数，临界状态下是K=1，K＞1被认为是不会发生倾覆，但是考虑到计算模式不确定、材料估计不确定等，因而一般需要赋予一个较高的安全储备，例如认为K≥2时桥梁倾覆稳定是安全的。M1是抵抗弯矩，主要是恒载下各个支座反力对倾覆轴的力矩和。M2是倾覆弯矩，主要是活载对倾覆轴的力矩和。

根据上述倾覆机理，组合梁桥的设计中，一方面需要保证倾覆轴的倾覆侧具有尽可能小的车辆荷载作用，降低倾覆弯矩的大小；另一方面，设计具有较高抵抗弯矩的桥梁，例如采用中间墩双点支撑，设置抗拔预应力钢筋以及进行横向倾覆预警等。

3.2 负弯矩区设计

改善组合梁桥负弯矩的抗裂性能，可以通过如下手段进行解决：

（1）桥面板滞后结合。通过先浇筑结合跨中区域的桥面板，使得钢梁预先进行变形，同时消除跨中区域混凝土桥面板与钢梁结合的收缩徐变效应，最后结合负弯矩区域的桥面板，降低其开裂的风险。这种方法需要调整桥面板的现浇工序，可以较为方便地应用于预制拼装桥面板，对于完全现浇的桥面板，则施工工序调整较为繁琐，降低施工效率。这种方法也大量应用于城市高架及跨海大桥建设中，该方法可以降低开裂可能性，但是不能完全消除。

（2）支座位移法。通过在施工中调整中支座的位移，使得负弯矩区混凝土形成预压效果，主要实施方法是在架设完成钢梁后顶升中支座，等桥面板浇筑完成后将中支座放到原来位置，形成预压效果。该方法施工过程很简单，实施效果也很明显，但是需要对中支点钢梁进行加固以方便顶升，还需要具有足够的空间安放顶升装置。该实施方法可以消除开裂风险，但需要进行精确的计算分析。

（3）跨中压重。同样是在施工过程中，在钢梁架设完成后，通过对中跨进行预压配重，并在混凝土桥面板浇筑完成后，释放跨中压重，使得负弯矩区形成预压效果。跨中压重方法仅限于中小跨径桥梁，对于大跨桥梁增加压重可能对钢梁造成损伤或者形成破坏。

（4）施加中支点顶板预应力。在负弯矩区容易开裂的地方，施加预应力，使得储备一定的顶板压应力，这些压应力用于抵抗运营期间产生的顶板拉应力，从而降低顶板开裂的风险。预应力钢束方法需要增加预应力锚固和转向的构造，同时增加预应力工序，最为重要的是预应力的后期损失较大，需要进行精确的计算，考虑预应力的张拉时机和张拉吨位，才能保障运营期间不产生顶板拉应力或者拉应力在一定限值范围内。施加预应力的方法，一般用于大跨径的组合梁桥。

4 结论

钢混组合梁桥具有诸多优点，既能够充分利用混凝土的抗压性和钢材的抗拉性能，有能规避混凝土抗裂性差及钢材屈曲和疲劳问题突出的缺点。钢混组合梁桥能够进行工业化和工厂化的生产，具有突出的应用优势。论文分析了钢混组合梁桥的设计计算理论，分别从弹性和弹塑性理论两个方面推导了其极限承载力的计算方法，也充分掌握了钢材和混凝土在组合梁桥的发挥效应。通过总结钢混组合梁桥的结构特性，提出了整体稳定和负弯矩抗裂是其关键难题，并提出了针对这两个关键难题的设计要点和方法。推进钢混组合梁桥结构在我国的进一步应用。

[1]邵长宇.组合结构桥梁的发展与应用前景[J].城市道桥与防洪, 2016(9):11-15.

[2]魏光华.钢—混凝土组合梁桥设计与施工探讨[J].山西建筑, 2007,33(24):338-339.

[3]冯建刚,秦志军,赵秀文.钢混组合箱梁桥设计与施工[J].公路交通科技 (技術版),2010,6(6):6-8.

[4]郑和晖,巫兴发,黄跃,等.钢—混组合连续梁负弯矩区桥面板抗裂措施[J].中外公路,2014,34(5):152-155.

U448.21+6

A

1009-7716（2017）04-0067-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.020

2017-02-06

孙涛（1983-），男，新疆阿勒泰人，工程师，从事路桥设计工作。